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首次!拍到黑洞全景

黑洞 ▲M87黑洞全景。▲此次研究成果示意图。

上海天文台供图

■本报记者 倪思洁

很多人都熟悉一张“甜甜圈”照片,那就是人类历史上拍到的第一个黑洞。该黑洞位于距离地球5500万光年外的M87星系中心,是目前所知宇宙中质量最大的黑洞之一,大约65亿倍于太阳质量。2017年,事件视界望远镜(EHT)的射电望远镜拍摄到了它的“特写”。

最近,由中国科学院上海天文台研究员路如森领导的国际研究团队,换了个频道看M87黑洞,首次拍到了M87的黑洞全景。照片里,不仅有“甜甜圈”,还能看到从“甜甜圈”向远处延展的“尾巴”,即黑洞的喷流。

作为EHT照片的拓展,新照片首次展现出了黑洞和它周围环境的关系。4月26日,相关成果发表于《自然》。

“甜甜圈”长了“尾巴”、发了“胖”

黑洞,是一个引力极强的时空区域,包括光在内的任何东西都无法逃逸。它可以“吃掉”靠近它的一切。

此次,天文学家用3.5毫米波段开展了新观测。他们拍摄到的黑洞照片中,依然可以清晰看到“甜甜圈”——黑洞周围绕转着热气体,这些气体在不断发出辐射,形成亮环。与此同时,黑洞附近被“吐出”的气体也被拍到,“甜甜圈”长出了“尾巴”。

“以前我们曾在单独的图像中分别看到过黑洞和喷流,但现在我们在一个新的波段拍摄了黑洞和喷流的全景图。”论文第一作者路如森告诉《中国科学报》。

“我们可以看到喷流是如何从中央超大质量黑洞周围的环状结构中出现的,也可以在另一个波段测量黑洞周围环状结构的直径。”德国马普射电天文研究所的Thomas Krichbaum说。

通过这张全景图,天文学家获得了一些关于黑洞的新认识。

他们发现“甜甜圈”比之前“胖”了。“本次的观测波长是3.5毫米,而EHT的观测波长是1.3毫米,我们看到的环状结构变得更大、更厚。这表明在新图像中可以看到落入黑洞的物质产生了额外辐射。这使我们能更全面地了解黑洞周围的物理过程。”路如森说。

他们还发现黑洞不是“很饿”。“它消耗物质的速度很低,只将其中一小部分转化为辐射。于是,为了了解这个更大、更厚的环的物理来源,我们使用计算机模拟测试不同的情况。最终我们得出结论,亮环更大、更厚与吸积流有关。”台湾地区“中研院”天文和天体物理研究所的Keiichi Asada说。

此外,从数据中,他们还看到了一些“令人惊讶的事情”。日本国立天文台的Kazuhiro Hada说:“在靠近黑洞的内部区域,辐射宽度比我们预期的宽。这可能意味着黑洞周围不仅仅有气体落入,也可能有一股‘风’吹出来,造成黑洞周围的湍流和混乱。”

不过,路如森表示,尽管发现了很多新现象,但“星系中央的超大质量黑洞是如何形成的,仍是未解之谜”。

尽管还有很多问题无法回答,但论文的两位审稿人都给予高度评价。一位审稿人指出:“该研究具有独创性、主题性,表现力强,可以引起人们的普遍兴趣,值得在《自然》杂志上发表。”另一位审稿人评价:“这项工作是及时的,是在理解活动星系核喷流的形成和准直方面迈出的重要一步。”

黑洞照片的背后

此次研究由中国学者路如森领衔,成员来自17个国家和地区的64家研究单位,共计121位。拍摄动用了全球16台射电望远镜,共同组成了一台口径等效于地球直径的望远镜。16台射电望远镜包括全球毫米波阵的14台望远镜、位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列,以及位于格陵兰岛的格陵兰望远镜。

黑洞新照片其实在5年前的2018年4月14日至15日就已经拍好,但直至今日才正式发布。

“在初步处理数据后,我们从中注意到了前所未有的新特征。之后用了5年,经过复杂的数据处理和成图过程、反复验证和确认结果,才最终发布。”路如森说。

在将“生数据”处理成“熟数据”过程中,他们前后做了4次甚长基线干涉测量技术分析中的“互相关处理”以及相应的“相关后处理”分析。“大家克服了来来回回返工的煎熬,得到了最可靠的‘熟数据’。”路如森说。

从“熟数据”重建观测图像时,研究团队遇到了前所未有的挑战。“这是一张视场很大的图像,图像包含许多成分,且这些成分的亮度差异很大。通过汇聚遍布全球各地许多合作者的经验,经过各种尝试和反复验证,我们才克服了这些困难。”路如森说。

首次!拍到黑洞全景

要拍“彩照”,还要拍“电影”

路如森和他领衔的国际研究团队,已经想好了下一步目标——与EHT一起给黑洞拍摄“彩色”照片。

所谓“彩色”就是在不同的观测波长上给黑洞拍照。“进一步的观测和强大的望远镜阵列将继续揭开它的神秘面纱。”韩国天文和空间科学研究所的Jongho Park说,“未来,毫米波观测将研究M87黑洞的时间演变,并将结合不同颜色的‘射电光’图像获得M87中心黑洞区域的多色视图。”

在上海天文台台长、研究员沈志强看来,未来非常令人期待。“此次展现的3.5毫米波长图像代表了当前的最新成就,但为了揭开M87中央超大质量黑洞及其相对论性喷流的形成、加速、准直传播的物理机制之谜,我们需要拍摄更多色的高质量图像,包括在0.8毫米或更短的亚毫米波波长的黑洞照片,以及在长至7.0毫米波长的黑洞和喷流的全景图像。”沈志强说。

“由于不同波长的电磁辐射揭示了黑洞附近不同的物理过程,相比于‘单色’黑洞,‘彩色’黑洞将带给我们更多信息,帮助我们更好理解黑洞本身,以及它和周围环境的关系。”路如森说。

路如森还有一个更远的目标——给黑洞拍“电影”。

“黑洞并不是静止的,而是每时每刻都和周围环境相互作用,因此不同时刻看它,它是不一样的。拍摄‘动态’黑洞要求我们在空间维度上再解锁时间维度,以便全方位观测和理解黑洞。”路如森说。

对于5500万光年外的M87星系来说,黑洞图像的变化速度缓慢,需要通过长时间监测才能拍出它的变化。“EHT在过去几年进行了多次连续成像观测,未来5年也有持续的观测计划。这些观测数据将呈现M87黑洞在10年时间跨度上的‘电影’。”路如森说。

对于人类所居的银河系中央的银心黑洞,目前EHT的望远镜分布不足以实现“快拍模式”的动态摄影,“丢帧”问题严重。但路如森对未来保持乐观:“随着更多望远镜加入,人类将能达到所需的时间分辨率,并最终拍出‘黑洞电影’。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05843-w